Modélisation, analyse numérique et simulations autour de la respiration

In this thesis, we study the modelling of the human mechanical ventilation and the nu- merical analysis of linked systems. Direct simulations of air flow in the whole airways are impossible (complex geometry, unavailable meshes). Then a reduced area of interest can be considered, working with reduced geometries and artificial boundaries. One can also use reduced models, simple but realistic. If one try to make 3D numerical simulations where the fluid flow is described by the Navier-Stokes equations, various issues are raised:• If we consider that ventilation is the result of pressure drops, the associated bound- ary conditions are Neumann conditions. It leads to theoretical questions in terms of existence and uniqueness of solution and numerical issues in terms of scheme choice and appropriate numerical methods.• When working in a truncated domain, it may be necessary to take into account non-described phenomena with appropriate models. Here we consider 0D models. These 3D/0D couplings imply numerical instabilities that we mathematically and numerically study in this thesis.Furthermore, when we focus on forced breathing, linear usual models are invalidated by experiments. In order to observe the differences between the experimental and numer- ical results, it is necessary to take into account several types of non-linearities, such as deformation of the domain or the Bernoulli phenomenon. A reduced model approach is adopted in this work.Finally, we sought to validate the obtained models by comparing numerical and experimental results in the context of interdisciplinary work.Achieving model and simulate these flows allow to better understand phenomena and parameters that come into play in diseases (asthma, emphysema ...). A medium-term objective is to study the influence of helium-oxygen mixture in the aerosol deposition. In the longer term, the application of these models to pathological situations could afford to build decision support tools in the medical field (understanding of pathology, therapy optimization ...).Cette thèse est consacrée à la modélisation de la ventilation mécanique chez l’humain et à l’analyse numérique des systèmes en découlant. Des simulations directes d’écoulement d’air dans l’ensemble des voies aériennes étant impossibles (maillages indisponibles et géométrie trop complexe), il est nécessaire de considérer un domaine d’intérêt réduit, qui implique de travailler dans une géométrie tronquée, comportant des frontières artificielles ou encore de considérer des modèles réduits simples mais représentatifs. Si on cherche à effectuer des simulations numériques 3D où l’écoulement du fluide est décrit par les équations de Navier-Stokes, différentes problématiques sont soulevées :• Si on considère que la ventilation est la conséquence de différences de pression, les conditions aux limites associées sont des conditions de type Neumann. Cela aboutit à des questions théoriques en terme d’existence et d’unicité de solution et à des questions numériques en terme de choix de schémas et de méthodes adaptées.• Lorsque l’on travaille dans un domaine tronqué, il peut être nécessaire de prendre en compte les phénomènes non décrits grâce à des modèles réduits appropriés. Ici nous considérons des modèles 0D. Ces couplages 3D/0D sont à l’origine d’instabilités numériques qu’on étudie mathématiquement et numériquement dans ce manuscrit.Par ailleurs, lorsqu’on s’intéresse à des régimes de respiration forcée, les modèles usuels linéaires sont invalidés par les expériences. Afin d’observer les différences entre les résultats expérimentaux et numériques, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs types de non linéarités, comme la déformation du domaine ou les phénomènes de type Bernoulli. Une approche par modèles réduits est adoptée dans ce travail.Pour finir, on a cherché à valider les modèles obtenus en comparant des résultats numériques et des résultats expérimentaux dans le cadre d’un travail interdisciplinaire.Parvenir à modéliser et simuler ces écoulements permet de mieux comprendre les phénomènes et paramètres qui entrent en jeu lors de pathologies (asthme, emphysème...). Un des objectifs à moyen terme est d’étudier l’influence du mélange hélium-oxygène sur le dépôt d’aérosol, toujours dans le cadre du travail interdisciplinaire. À plus long terme, l’ap- plication de ces modèles à des situations pathologiques pourrait permettre de construire des outils d’aide à la décision dans le domaine médical (compréhension de la pathologie, optimisation de thérapie...)

Modelling, numerical analysis and simulations for human respiration

Cette thèse est consacrée à la modélisation de la ventilation mécanique chez l'humain et à l'analyse numérique des systèmes en découlant. Des simulations directes d'écoulement d'air dans l'ensemble des voies aériennes étant impossibles (maillages indisponibles et géométrie trop complexe), il est nécessaire de considérer un domaine d'intérêt réduit, qui implique de travailler dans une géométrie tronquée, comportant des frontières artificielles ou encore de considérer des modèles réduits simples mais représentatifs. Si on cherche à effectuer des simulations numériques 3D où l'écoulement du fluide est décrit par les équations de Navier-Stokes, différentes problématiques sont soulevées :- Si on considère que la ventilation est la conséquence de différences de pression, les conditions aux limites associées sont des conditions de type Neumann. Cela aboutit à des questions théoriques en terme d'existence et d'unicité de solution et à des questions numériques en terme de choix de schémas et de méthodes adaptées.- Lorsque l'on travaille dans un domaine tronqué, il peut être nécessaire de prendre en compte les phénomènes non décrits grâce à des modèles réduits appropriés. Ici nous considérons des modèles 0D. Ces couplages 3D/0D sont à l'origine d'instabilités numériques qu'on étudie mathématiquement et numériquement dans ce manuscrit. Par ailleurs, lorsqu'on s'intéresse à des régimes de respiration forcée, les modèles usuels linéaires sont invalidés par les expériences. Afin d'observer les différences entre les résultats expérimentaux et numériques, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs types de non linéarités, comme la déformation du domaine ou les phénomènes de type Bernoulli. Une approche par modèles réduits est adoptée dans ce travail.Pour finir, on a cherché à valider les modèles obtenus en comparant des résultats numériques et des résultats expérimentaux dans le cadre d'un travail interdisciplinaire.Parvenir à modéliser et simuler ces écoulements permet de mieux comprendre les phénomènes et paramètres qui entrent en jeu lors de pathologies (asthme, emphysème...). Un des objectifs à moyen terme est d'étudier l'influence du mélange hélium-oxygène sur le dépôt d'aérosol, toujours dans le cadre du travail interdisciplinaire. A plus long terme, l'application de ces modèles à des situations pathologiques pourrait permettre de construire des outils d'aide à la décision dans le domaine médical (compréhension de la pathologie, optimisation de thérapie...).In this thesis, we study the modelling of the human mecanical ventilation and the numerical analysis of linked systems. Direct simulations of air flow in the whole airways are impossible (complex geometry, unavailable meshes). Then a reduced area of interest can be considered, working with reduced geometries and artificial boundaries. One can also use reduced models, simple but realistic. If one try to make 3D numerical simulations where the fluid flow is described by the Navier-Stokes equations, various issues are raised:- If we consider that ventilation is the result of pressure drops, the associated boundary conditions are Neumann conditions. It leads to theoretical questions in terms of existence and uniqueness of solution and numerical issues in terms of scheme choice and appropriate numerical methods.- When working in a truncated domain, it may be necessary to take into account non-described phenomena with appropriate models. Here we consider 0D models. These 3D/0D couplings imply numerical instabilities that we mathematically and numerically study in this thesis.Furthermore, when we focus on forced breathing, linear usual models are invalidated by experiments. In order to observe the differences between the experimental and numerical results, it is necessary to take into account several types of non-linearities, such as deformation of the domain or the Bernoulli phenomenon. A reduced model approach is adopted in this work. Finally, we sought to validate the obtained models by comparing numerical and experimental results in the context of interdisciplinary work.Achieving model and simulate these flows allow to better understand phenomena and parameters that come into play in diseases (asthma, emphysema ...). A medium-term objective is to study the influence of helium-oxygen mixture in the aerosol deposition. In the longer term, the application of these models to pathological situations could afford to build decision support tools in the medical field (understanding of pathology, therapy optimization ...)

Numerical stability of coupling schemes in the 3d/0d modelling ofairflows and blood flows

We consider models which are classically used in the simulation of airflows and blood flows andinvestigate the numerical stability of some discretization strategies. The geometrical complexity of the networksin which air/blood flows leads to a classical decomposition of two areas: a truncated 3D geometry correspondingto the largest contribution of the domain and a 0D part connected to the 3D part, modelling air/blood flowsin smaller airways/vessels. The resulting Navier-Stokes system in the 3D truncated part may involve non-local boundary conditions, deriving from a mechanical model. For various 3D/0D coupled models, differentdiscretization processes are presented and analyzed in terms of numerical stability, highlighting strong differencesaccording to the regimes that are considered. In particular, two main stability issues are investigated: first thecoupling between the 3D and the 0D part for which implicit or explicit strategies are studied and, second, thequestion of estimating the amount of kinetic energy entering the 3D domain because of the artificial boundaries.In particular, we prove new estimates in appropriate norms for the discretized-in-time Navier-Stokes system.These estimates are derived under conditions on the smallness of the data, enlighting the intrinsic difficultyencountered with such systems to perform realistic simulations. We illustrate some of the theoretical resultswith numerical simulations, firstly in a single tube, then in a bifurcation geometry and finally in real geometries.Finally, we discuss the difference between airflows and blood flows in terms of numerical stability related tothe magnitude of the physiological and physical parameters. Stokes and Navier-Stokes equations; coupling ofmodels; numerical stability; numerical computations; finite element metho

Modeling of the air flow in the human respiratory tract

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Modeling of flow limitation phenomena in the human respiratory tract during forced expiration

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